飞行模拟器视景仿真毕设论文.docx

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飞行模拟器视景仿真毕设论文

摘要

随着飞行训练的成本越来越高，培训机构急需能够部分替代实际飞行训练的飞行模拟器进行飞行模拟训练，以有效地减少飞行训练的成本，提高飞行训练的效果。

飞行视景仿真是飞行模拟器的一个重要组成部分，建立飞行视景仿真系统，不仅可以降低其研制和开发的费用和周期，减少各种飞机机体实际内部故障或者不可预见的复杂飞行环境导致的可能性故障，还可以向飞行人员模拟出真实的三维场景及有效的飞行信息，提供逼真的飞行效果与飞行姿态，使得培训人员可以更快速更安全更熟练地进行各种飞行操作设备，顺利完成各种飞行任务操作以达到培训目的。

本文在分析飞行仿真的需求基础上，设计的飞行模拟器可以较好地完成飞行仿真功能，提供多种飞行训练场景，有助于飞行技术的提高和飞行体验。

在飞行仿真的理论基础上，借助相关的可视化技术，综合运用模型构造、系统运行、模型驱动等一系列技术，利用Creator软件进行仿真建模，完成飞机、飞行场景的建模，设计基于VegaPrime环境的飞行视景仿真系统，实现动态在线飞机飞行运动的全过程，为飞行训练提供良好的飞行仿真环境。

本系统可以建立虚拟飞行训练环境，能有效的完成基本的飞行条件，提供多种飞行场景方案，但同时也有控制功能较少，场景较为单一的缺点，待后续技术条件成熟时进一步的完善与提高。

关键词：

视景仿真；Creator；VegaPrime；虚拟

DesignandImplementationofflightsimulatorvisualsimulationsystem

Abstract

Withtheincreasinglyhighcostofflighttraininginurgentneedoftraininginstitutionstoapartialsubstitutefortheactualflighttraining,flightsimulatorflightsimulatortrainingtoeffectivelyreducethecostofflighttraining,flighttrainingeffect.Flightsimulationisanimportantpartoftheflightsimulator,flightvisualsimulationsystem,toestablishnotonlytoreduceitsresearchanddevelopmentcostsandcycle,toreduceavarietyofairframeinternalfault,orleadtounforeseencomplexflightenvironmentthepossibilityoffailure,butalsototheflightcrewtosimulatethereal3Dsceneandflightinformation,providearealisticflyingeffectandflightattitude,makingtrainingfaster,saferandmoreproficientinavarietyofflightoperationsequipment,thesuccessfulcompletionavarietyofmissionoperationsinordertoachievethetrainingobjectives.

Inthispaper,thedemandonthebasisoftheanalysisofflightsimulation,thedesignoftheflightsimulatorcanbebettertocompletetheflightsimulationcapabilities,providingavarietyofflighttrainingscenarios,contributetotheimprovementofflighttechnologyandflightexperience.Basedonthetheoryofflightsimulationwithvisualizationtechnology,andintegrateduseofaseriesofmodelconstruction,systemoperation,andmodel-driventechnology,Creatorsoftwareformodelingandsimulation,completeaircraft,theflightscenemodeling,design-basedflightoftheVegaPrimeenvironmentvisualsimulationsystem,thedynamiconlineairplaneflightmovementforflighttraining,flightsimulationenvironment.Thissystemcancreateavirtualflighttrainingenvironment,thecompletionofthebasicflightconditions,andoffersavarietyofflyingscenesprogram,butwealsohavelesscontrolfunctionstheshortcomingsofsinglesceneuntilthefollow-uptechnicalconditionsareripetofurtherimproveandenhance.

KeyWords：

VisualSimulation；Creator；VegaPrime；Virtual

1绪论

1.1引言

飞行模拟器（flightsimulator,FS）与飞行训练装置（flighttrainingdevice,FTD）已经在航空、航天飞行训练领域得到广泛应用,其飞行训练的经济性、安全性以及良好的训练效果已经得到一致认可。

目前在航空、航天飞行训练中,在驾驶真实飞行器之前必须通过相应模拟器的训练和考核已经成为必不可少的训练程序。

美国、俄罗斯以及世界各航空航天大国均研制了大量的FS和FTD,用于对各种民用飞机、战机、载人飞船以及航天飞机等航空航天器机组人员的地面训练。

视景系统是FTD\FS系统中的重要组成部分,主要作用是为训练员提供实际工作任务中可观察到的场景图像,增强训练的真实感并提高训练效果。

1988年，NASA与美国国防部共同支持研制了一个虚拟界面环境工作站VIEW（VirtualInterfaceEnvironmentWorkstation），该工作站由一台HP-9000计算机、一副数据手套、一个液晶头盔显示器和一套语音识别系统构成，用户可以从中看到立体图像、听到三维声、可发出口头命令、可伸手捉取由计算机生成的虚拟物体，这是世界上第1套虚拟现实系统，此后虚拟现实技术及其产品得到了飞速发展，并形成了产业。

据简氏信息集团（Jane’sInformationGroup）的一份特别报告统计，到了2000年，从事与训练模拟相关的虚拟现实产品制作的公司已多达800多家，其市场将由2000年的400亿美元发展到2010年的650亿美元。

1992年公布了“国防建模与仿真倡议”，并成立了国防建模与仿真办公室，负责倡议的实施：

1992年7月美国防部公布了“国防科学技术战略”，“综合仿真环境”被列为保持美国军事优势的七大推动技术之一；1995年10月，美国防部公布了“建模与仿真主计划”，提出了美国防部建模与仿真的六个主目标；1997年度的“美国国防技术领域计划”，将“建模与仿真”列为“有助于能极大提高军事能力的四大支柱（战备、现代化、部队结构、持续能力）的一项重要技术，并计划从1996年至2001年投资5.4亿美元、年均投资0.9亿美元”。

同样，欧洲对于仿真的研究历来也十分重视，北大西洋公约组织（NATO）于1992年9月成立了DIS工作组。

同年欧洲学术界的二百个成员成立了欧洲仿真特殊兴趣组，并于次年组建了“仿真未来：

新概念、工具和应用”基础研究工作组。

制定了仿真基础研究和开发为第一优先主题。

其第二个主题即为开发新的应用领域。

尤其是像并行和分布式仿真这样的基础技术，围绕这个主题将就“仿真互操作性”展开行动计划。

并对应于美国DIS工作组成立一些对应的“影子”机构进行跟踪研究。

我国飞行视景仿真的发展已有四十年的历史主要体现在军用飞机的仿真，尤其在“七五”以来的十多年中，通过边建边用，以及上级领导的重视，仿真技术得到了飞速发展。

突出表现在以下方面：

（1）建成了航天机电集团以北京仿真中心为代表的，科技集团以上海八院八部的射频、红外仿真系统为代表的服务于各类新型导弹、卫星、运载火箭和鱼雷等仿真的“八大仿真系统”以及用于新型军机研制的飞机工程仿真系统，为仿真技术的研究和应用打下了坚实的基础。

（2）90年代我国开始对分布交互仿真，虚拟现实等先进仿真技术及其应用进行研究，开展了较大规模的复杂系统仿真，由单个武器平台的性能仿真发展为多武器平台在作战环境下的对抗仿真。

（3）研制出了连续系统仿真语言ICSLⅡ和ICSL++仿真环境，连续/离散（事件）系统仿真语言IHSL和图形输入仿真语言IFAS等通用仿真语言及射频、红外、反坦克导弹、卫星、战略导弹和运载火箭等半实物仿真专用软件。

正在研制基于高档微机、工作站通用、并发、一体化仿真软件。

（4）坚持边建边用的原则，在应用方面取得显著成果。

有效的应用于新型武器的研制，优化系统设计，提高武器系统性能；以及诊断并排除隐患和故障、提高型号研制质量；大大减少实弹试验次数和试验数量，从而起到了缩短研制周期、节约研制经费、提高武器系统效费比的巨大作用。

根据统计数据，仿真技术可缩短导弹武器研制周期20-40%，节约导弹定型试验所需弹数10-30%；鱼雷试航次数减少50-80%；缩短舰船作战系统、武器系统联调时间40-60%。

从可量化的数字看，至95年底，仿真技术在我国各类导弹（含鱼雷、运载火箭）、卫星、飞机、舰船、坦克和高炮的研制中，仿真创经济效益达人民币5亿元以上。

1.2研究目的及意义

随着科技的发展，模拟训练已经广泛应用于各个行业，如战斗机飞行模拟、无人机飞行模拟、汽车驾驶模拟、大型机械设备的操作模拟、安全相关的事故应急处置模拟、工厂车间的产品装配模拟等。

通用航空作为航空领域的一个重要分支，其技术含量高、产业链条长，对地方经济拉动性强，对经济贡献率大，对区域经济结构调整、实现产业升级、提升现代服务业综合实力具有重要意义。

开展以飞机飞行模拟器交互式视景仿真系统为重点的研究，是航空业中飞机制造和飞行员培训领域的重大科技突破。

飞行模拟器交互式视景仿真系统可以向飞行人员模拟出真实的三维场景及有效的飞行信息，提供逼真的飞行效果与飞行姿态，以便飞行培训人员可以更快速更安全更熟练地使用各种飞行操作设备，顺利完成各种飞行任务操作以达到培训目的。

促进我国航空产业的发展和人才队伍的壮大，提高我国航空领域中飞行模拟器视景仿真技术和缩短研制过程，还可以不受气象条件和场地限制进行训练，而且能节省能源和防止污染，推动航空产业的发展与普及。

1.近年来，随着我国经济社会的快速发展、低空域的逐渐开放，我国的航空事业已步入快速发展轨道，航空器数量逐步增加，当前拥有航空器数量已达到40余种1000余架飞机，未来5至10年将增加到10000架左右，年增长率达30%。

根据航空拉动产业链发展1:

10的经验，未来10年航空产业将拉动10000亿的需求，航空拥有巨大的市场潜力，成为我国经济社会发展新的增长点。

2.开展飞机飞行模拟器交互式视景仿真系统研究，是实施《国家中长期科学和技术发展规划纲要》的必然要求。

《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中明确提出将虚拟现实技术作为前沿技术重点发展。

前沿技术是指高技术领域中具有前瞻性、先导性和探索性的重大技术，是未来高技术更新换代和新兴产业发展的重要基础，是国家高技术创新能力的综合体现。

虚拟现实技术作为前沿技术，代表世界高技术前沿的发展方向，对国家未来新兴产业的形成和发展具有引领作用，有利于产业技术的更新换代，实现跨越发展。

同时发挥科技引领未来发展的先导作用，有利于提高我国高技术的研究开发能力和产业的国际竞争力。

3.传统的飞行员训练方式成本高、周期长、风险大，而国内现有的飞行器仿真训练平台技术不够成熟，与国外的仿真训练平台有很大的差距，飞行员培训要经过理论课学习，上机练习。

仿真系统不仅能节省更多的人力，物力资源，相对于飞机飞行的高能消耗，还能有效减少环境污染和噪音污染，而且可以将训练风险系数降到零。

1.3研究目标及内容

通过自主创新和集成创新，针对通用飞机自身特点进行对飞机飞行动力学模型建立、飞机及飞行环境中实物的三维建模、飞行器飞行姿态的六自由度仿真、三维视景仿真中漫游控制等内容进行研究及改进，提出飞机模拟器视景仿真系统的方案及设计。

提高飞机飞行控制系统设计精准度和缩短研制过程的时间花费、降低飞机飞行人员的培训费用，增强飞行人员的飞行操作能力，评估飞行品质飞行模拟器视景仿真系统的设计与实现主要包括以下内容：

对作业区域进行图像的采集和处理，生成rgb或rgba格式的贴图，图像的采集包括基本建筑物、飞行器、构筑物及树木等图像的数据采集；对作业区域内基本建筑物、构筑物、道路、飞行器、机场等实物进行三维建模；对天气环境如：

雨、雪、白云、蓝天等进行仿真建模；对以上三维模型进行配置构建场景；在场景中实现自动或人工三维漫游；在虚拟场景中对一些特殊情况的处理。

2总体设计

飞行模拟器的视景仿真系统主要包括视景仿真模型和飞行仿真场景两大部分。

视景仿真模型指视景仿真中所涉及到的所有模型结构。

飞行仿真场景主要是指为了突出飞机仿真的特点而形成的飞行仿真虚拟场景。

飞行视景仿真系统必须紧扣飞机飞行的特点，充分领会模拟器视景仿真的特点，利用模块化的软件开发思想进行相应的技术研究和软件开发。

2.1VegaPrime开发过程

VegaPrime作为一专业的视景仿真开发平台，其开发流程自成体系，图2.1描述了VegaPrime结合Ceator进行视景仿真开发的通用流程。

图2.1VegaPrime开发流程

开发流程主要包括：

1）本体建模构造系统中所需要的三维模型。

2）配置文件将建好的模型在LynxPrime中导入到ACF文件中并根据实际的视景仿真需要配置ACF文件。

3）场景驱动这部分是视景仿真的核心这部分要根据实际的仿真需求确定仿真产生的效果并根据实际效果在代码中添加驱动程序。

4）实际应用在整个系统开发完成后。

2.2系统设计要求

根据设计要求，该仿真系统包括一个逼真的虚拟环境，通过程序加载特定格式的飞机模型文件和地形模型文件进行虚拟仿真。

参照图2.1的开发流程，可以将飞行模拟器视景仿真系统分为主要包括模型构造、虚拟场景方面。

模型构造方面：

构造飞机模型,飞机模型是整个系统的核心部分，是用户最为关注的地方；具有平原、山地、海洋等特征的典型地形模型和供飞机起飞着陆的跑道等模型。

虚拟场景方面：

仿真过程中用户可以通过交互控制设备鼠标和键盘来实现对虚拟场景的控制；仿真过程中能支持多视点对飞机飞行状态进行观察，同样也能生成多窗口对飞机飞行状态进行多个视点的同时观察，从而产生身临其境的感觉；支持从座舱内观察飞机飞行状态，座舱中应包含必要的仪表，如高度表、平显等；能支持仿真过程中的天气状况选择以增强真实感。

2.3三维视景仿真系统模块结构设计

根据VegaPrime开发流程和系统设计要求，在VisualC++环境下，集合VegaPrime提供的库函数，开发飞机飞行三维视景仿真软件，软件结构图如图2.2所示。

图2.2软件结构图

从图2.2可以看出，本系统采用模块化原理设计，这样就使软件结构清晰，不仅容易设计，而且容易阅读和理解。

2.3.1模型构造模块设计

虚拟场景中的模型构造是一个直接关系场景逼真度的至关重要的环节，是直接展示给用户观察的，整个场景中的模型构造主要有飞机模型、地形模型和机场模型。

1）飞机模型

飞机模型是模型中的核心部分，整个系统都是围绕着该模型，为了增加场景的真实感除了飞机本体的建模外，还需从本体中划分出舵面和座舱模块，在仿真时用户能实实在在的看见飞机舵面的转动。

座舱模块主要在视点切换到座舱时使用，为了模拟真实的座舱效果，座舱内应包含飞机一些主要的标准仪表并能驱动其正确的指示飞行数据。

2）地形模型

飞机飞行的环境是多种多样的，本系统为了模拟各种地形条件下的飞行效果，建立了包含平原、山地、海洋等典型特征的地形模型地形中包含了一块平地供飞机起飞和着陆。

3）机场模型

机场模型主要包括跑道和机场附属物，跑道是系统中一个很重要的环节，对飞机来说起飞着陆是最需要关注的阶段，也是最容易出问题的阶段。

在这阶段中，飞机都需要与跑道打交道。

本系统中，机场的附属物主要是增强真实感的作用，包括房子、树等一些模型。

上述的所有模型在本文中都采用了Creator的建模工具创建而成，或者采用Creator建模工具转换其它三维软件创建的模型的格式而成。

2.3.2界面设计

一个有良好风格和美观大方的界面对软件是必不可少的，界面能为用户提供良好的交互方法。

根据系统软件结构，本文的界面可分为系统的启动界面和用于提供与用户交互的交互界面。

启动界面是展示系统运行前所进行的一些加载动作，系统在运行前会首先启动VegaPrime并加载ACF文件其中在加载ACF文件后会的配置过程中会自动将ACF文件转换成C++代码并加载系统运行过程中所需要的三维模型，所以这部分过程相对而言会很慢，尤其在遇到电脑配置不算好的电脑时，用户会错误的判断程序导致了死机，这样就需要一个启动界面的展示这个过程，界面上会将整个系统加载资源的过程展示给用户。

这样不仅避免了用户的错误判断，而且还能起到美化的作用。

交互界面是系统与用户交互的载体。

交互界面上存在着大量的用来控制系统运行的按钮控件，交互界面是时时的展现在用户的面前，这就要求交互界面要美观而且还易于用户操作。

2.3.3飞行仿真场景模块设计

飞行仿真场景主要是指飞行仿真时观察到的景象以及相应的仿真环境。

仿真环境主要包括虚拟场景中辅助显示以及场景控制，这部分是整个系统的核心，这部分的好坏直接关系的视景仿真的效果。

根据视景仿真过程中的设计要求可将飞行仿真场景的需求分成视点模块，交互控制模块，仿真效果模块和飞机飞行信息显示模块。

1）视点模块

视点指在仿真过程中观察飞机飞行状态的方式。

为了对飞行状态有更深的了解，比如飞行姿态和舵面偏转做实时的观察，用户需要能从不同时刻对飞机各个角度或者在同一时刻对飞机各个角度进行观察，为此可在系统中设计了两种观察方法例如多视点和多通道，多视点是指对同一个通道的观察位置进行改变，而多通道是指对飞机同时通过多个通道进行观察，每个通道的视点位置不同。

当用户对系统定义的典型视点不满意时可以通过键盘进行调节以期达到最佳的观察位置，在多视点中设置了座舱内的视点，以满足真实的驾驶仿真需要。

这时视点处在座舱中，通过座舱模型中的玻璃模型往外看座舱模型中仪表如平显、高度表、速度表等应按照飞机飞行的实际数据显示。

2）交互控制模块

交互控制功能是任何虚拟现实系统中所具备的一个最基本的功能。

它是操纵者与系统之间打交道的唯一通道，它包括了人与计算机之间的交互控制，用户可以通过输入设备以执行者的身份控制虚拟场景。

在本系统中为了让用户更好的与虚拟场景实现交互可利用已有的输入设备键盘和鼠标等对场景控制，将来也可以利用外接设备如摇杆等控制场景中的飞机的飞行。

在本虚拟系统中，交互控制可以让用户通过界面中的按钮等控件控制和选择所需要的虚拟场景运行方式，也可以直接通过键盘对虚拟场景进行控制，如视点的移动。

3）仿真效果模块

仿真效果是视景仿真系统逼真度的体现，系统中的仿真效果主要有航迹云效果，飞机起飞和着陆时与跑道之间的碰撞检测以及在飞行过程中与地形之间的碰撞检测和仿真时天气的选择等。

航迹云的效果是指飞机飞过后在空中所留下的云雾效果，系统中利用粒子系统生成了航迹云的效果。

航迹显示是飞行模拟仿真中必不可少的一个部分，通过航迹可以看出飞机飞行的具体位置，也可以看出飞机是否按照所设计的飞行路径在飞行。

为了真实反映飞机在飞行中的过程，碰撞检测是一个很重要的方面，系统在飞机飞行过程中和飞机起飞着陆时都使用了碰撞检测。

在飞行过程中，是为了检测飞机是否撞到了虚拟场景中的物体，而在起飞着陆时则显得复杂些，在起飞时需要考虑的是飞机是否冲出了跑道，着陆时飞机与跑道之间肯定要发生碰撞，这时需要判断是否是正常的碰撞，在碰撞时需要粒子系统来模拟碰撞效果。

飞机可以在各种天气条件下飞行，同样系统也支持天气系统的选择以模拟各种天气状况下的飞行仿真。

4）飞机飞行信息显示模块

在仿真过程中，实时的显示一些重要的飞行数据或者对仿真过程中对飞行过程或对多窗口的显示进行一些说明是必要的。

系统设计了两种显示飞行状态的方式直接在仿真画面上通过数据显示和通过平显的方式显示。

系统结合实际的需要，定义了飞机的六自由度和速度这七个参数被显示出来，这七个数据也是飞机中最为被关心的部分，将这七个数据显示在视景图像的左上端这样观察者就可以通过图像和数据一起观察飞机的状态更具直观性。

平显是将飞行参数以图形化方式显示能让用户更直接的观察飞行参数以及时刻掌握飞机的动态信息以便做出各种有利于飞机飞行的决策，所以平显是飞行仿真系统不可缺少的部分根据实际的需要平显显示了俯仰角、滚转角、偏航角、速度、高度、升降舵、方向舵、副翼舵等七个重要的信息，这里的平显与仪表中的平显有所不同，这里的平显是通过OpenGL直接在仿真的，通道上直接绘制而成，而仪表中的平显是通过平显仪表的方式表示出来，由于时间和技术的原因，这一部分并未在系统中实现，为后续能力提高之作。

四个模块就能很好的将飞机的视景仿真图像展示在用户眼前，能使用户有身临其境的感觉，且有很高的逼真度。

3视景仿真建模技术

飞行模拟器视景仿真系统模块结构的分析，确定了本系统中需要建模的视景模型。

本章首先介绍了飞机模型的构造过程和模型格式转换过程，并讲述了利用Creator对飞机仪表和大面积地形的可视化建模。

在大面积地形建模中应用了LOD技术，利用DOF技术实现了仪表指针的动态交互，利用包围盒技术和vsb格式提高了模型控制的实时反应速度并使用上述技术实现了飞机飞行数据和地形仿真可视化。

3.1OpenFlight（*.flt）数据库格式

OpenFlight数据格式是Multigen公司将所要仿真的环境与对象通过数学方法表达成存储在计算机内三维图形对象的描述数据库集合，用来通知图像生成器何时以及如何渲染实时三维景观，非常的精确可靠。

它是为简单的或相对复杂的实时仿真应用设而计的。

OpenFlight数据格式是Creator的根基，是可视化的数据库标准，也是视景仿真领域的行业执行标准。

OpenFlight树状结构层次来组织管理场景数据的。

这个树状结构由许多节点组成，每一个节点可以有子节点或兄弟节点。